合肥工業(yè)大學：新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術

2024年第21屆中國電氣自動化與電控系統(tǒng)學術年會新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術李明副教授研究方向主要從事新能源利用與分布式發(fā)電技術的相關研究，包括：·新能源并網與新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法·多逆變器電站的分布式協(xié)同穩(wěn)定控制技術主持的科研項目作為項目負責人主持國家自然科學基金青年項目、國家重點研發(fā)計劃項目子研究課題和中國博士后科學基金面上項目等教育和工作經歷本科合肥工業(yè)大學碩博連讀博士后合肥工業(yè)大學(免試)導師：張興教授(二級教授)清華大學·專業(yè)：控制科學與工程導師：耿華教授(IEEEFellow,長江學者)3五、小結五、小結4合肥工紫大等1.研究背景口研究背景——新能源發(fā)電的大規(guī)模應用億噸億噸時刻時刻時刻0化石能源202520252030203520402045口研究背景——高滲透率新能源發(fā)電現(xiàn)狀0ofPhotovoltaicGeneration:ACaseStudy,"IEEETransactionsonSustainableEnergy,vol.4,no.4.pp6大量的電力電子逆變器設備較長的輸電線路廣泛應用的變壓器新能源發(fā)電站長輸電線路公共耦合點新能源發(fā)電站長輸電線路單元變壓器單元變壓器新能源發(fā)電站發(fā)電單元新能源發(fā)電站接入點變壓器變壓器變壓器接入點接入點接入點并網變流器_并網變流器7合肥工紫大等提綱五、小結五、小結8合肥工紫大等傳統(tǒng)跟網型并網穩(wěn)定問題2.1為什么采用跟網型并網模式?1)發(fā)電機是容量足夠大的電壓源2)為了最大限度地利用新能源發(fā)電(MPPT)3)并網控制需要快速的功率響應4)并網電流的高電能質量5)多機并聯(lián)的抗擾性強+++iLgwefiLgwef9合肥工紫大等2、傳統(tǒng)跟網型并網穩(wěn)定問題2.2高滲透條件下跟網型并網控制的問題合肥工紫大等提綱五、小結五、小結3.1為什么要采用構網型并網?1)高電網阻抗的弱電網條件下，構網型控制穩(wěn)定裕度更大電網電壓相位P1+MCgref—PIDroop-ControlledffPP[1]YuanXWangE,BoroyevichD,etalDC-linkvoltagecoTransactionsonPowerElectronics,2009,24(9):2178-2192.合肥工紫大等3.傳統(tǒng)構網型并網穩(wěn)定問題1)弱網下功率響應慢，難以準確實現(xiàn)最大功率點跟蹤，經濟性差2)構網型控制按負載需求輸出功率，和源側的最大功率點跟蹤需求相矛盾3)電網阻抗大幅波動時，構網型逆變器在電網阻抗較小(強網)時容易發(fā)生振蕩4)多機之間的功率抗擾性變差、耦合變強0合肥工紫大等提綱二、傳統(tǒng)跟網型并網穩(wěn)定問題二、傳統(tǒng)跟網型并網穩(wěn)定問題五、小結五、小結■問題的引出逆變器即插即用特性：不同電源和負荷需要根據氣象、經濟、電網和用戶需求等復雜工況靈活切入切出，且希望不影響系統(tǒng)的正常運行，即新能源設備期望具備即插即用的功能。公共電網集中式電站公共電網集中式電站新能源發(fā)電站新能源發(fā)電站發(fā)電單元接入點發(fā)電單元接入點電站接入電站接電站接入點新能源新能源新能源并網逆變器并網逆變器■即插即用帶來的問題?不同于電網阻抗引起的寬頻振蕩特性，即插即用引起工作點非線性變化，體現(xiàn)為在原來的工作點并網電流不出現(xiàn)寬頻振蕩，而在工作點變化后發(fā)生具備非線性頻移特性的寬頻振蕩。#1,#2,and#3Inver#1,#2,and#3Inver0合肥工紫大等并網逆變器本身是一個復雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，并且受到即插即用導致設備隨機投切等因素的影響，電網特性呈現(xiàn)非線性變化，電網電壓鎖相LabegabeMoabe電網電壓相位電網電壓鎖相PowerSinchronizationPWaves電壓前饋電壓前饋iWCdtefiWCdtef++ii基于線性PI控制器的跟網和構網型逆變器典型結構示意圖合肥工紫大等4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術■無源性理論——解決上述問題提供一種可行的理論工具：·無源性理論指出：由無源子系統(tǒng)任意并聯(lián)形成的新系統(tǒng)也是無源Rpp<0互聯(lián)無源系統(tǒng)示意圖合肥紫大等如果要使得能量的最小點處為期望值，可采用端口受控哈密頓方程(PCH)進行無源控制器設計；并通過選擇哈密頓能L?ll采樣Pnf采樣PnfQefldguolodqXd無源ldguolodqXd無源g:反映系統(tǒng)輸入特性的矩陣然而，作為一種基于模型的控制方案，無源控制器控制性能高度依賴于控制模型的精度。逆變器即插即用會帶來電網結構/參數(shù)變化，將會引起無源控制系統(tǒng)抗擾能力下降?？谒悸芬觥か@取電網結構/參數(shù)變化引發(fā)的擾動：·是否可在通過引入非線性擾動觀測器算法，來獲取擾動補償?shù)綗o源控制器中，提升系統(tǒng)抗擾能力?形式①辨識4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術關鍵技術1(無源控制器環(huán)路設計):該環(huán)路是整個控制策略的基礎控制器，從能量的角度設計保證了系統(tǒng)的無源性，實現(xiàn)從單機擴展到多機時整個系統(tǒng)的無源性和穩(wěn)定性。xpxp環(huán)路協(xié)同環(huán)路 合肥工紫大學4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術期望的閉關鍵技術2(非線性觀測器環(huán)路設計):該環(huán)路輸出是即插即用帶來的非線性擾動的估計值，輸入到無源控制環(huán)路，這樣可以提升逆變器xpxp環(huán)路uu環(huán)路所提適用于跟網型逆變器的非線性觀測器基于統(tǒng)—PCH模型，實現(xiàn)了觀測器和無源控制器相互融合設計，保證引入觀測器之后的DCDC+o-V觀測器引入的虛擬等效電壓源電流M逆變器側L,■穩(wěn)定性證明：S0PudP■結合非線性觀測器后的無源控制律：大等4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術關鍵技術3(阻尼動態(tài)協(xié)同環(huán)路):單機擴展到多機時，該環(huán)路實現(xiàn)對系統(tǒng)級阻尼特性的協(xié)調控制，并將其輸出作為無源控制環(huán)路輸入，xp環(huán)路plXlX環(huán)路合肥工紫大等4.新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術■為何要設計自適應動態(tài)協(xié)同環(huán)路?·無通訊方案：直接利用局部測量信息，預先設置協(xié)作規(guī)則(指標),實現(xiàn)多個逆變d軸電流/Ad軸電流/Ad軸電流/Ad軸電流/A■協(xié)作規(guī)則(指標)選取·電網阻抗越大，將發(fā)生欠阻尼振蕩；但無源控制下的系統(tǒng)始終能夠保證穩(wěn)定運行(穩(wěn)定性始終保證，但動態(tài)性能受到影響)。33333iiiii22222時間/s11不同電網阻抗影響下逆變器的輸出電流動態(tài)性能■協(xié)作規(guī)則(指標)選取置阻尼，以確保多逆變器設備無通信情況下的整體動態(tài)性能。構建阻尼系數(shù)ra與電網阻抗之間的關系(非線性下垂曲線):ra=f(Lg)1 ■實驗結果(穩(wěn)定性驗證：非線性觀測器+無源控制環(huán)路)傳統(tǒng)PI控制提出的控制策略■實驗結果(動態(tài)性能驗證：自適應動態(tài)阻尼環(huán)路)所提自適應阻尼注入方法所提自適應阻尼注入方法i合肥工紫大等提綱一、研究背景一、研究背景二、傳統(tǒng)跟網型并網穩(wěn)定問題二、傳統(tǒng)跟網型并網穩(wěn)定問題五、小結五、小結1)在接入電網的高滲透率新能源發(fā)電末端弱電網中，跟網型控制技術經過改進，仍是經濟性較好的主流并網控制方案；2)采用構網型控制技術可有效提升新能源場站系統(tǒng)弱網運行穩(wěn)定性；3)隨著新能源滲透率的進一步提升，基于無源性的新能源集群分布式穩(wěn)定控制技術將逐步提升占有率而發(fā)揮更大作用。6)